中國空軍運-20能空運作戰救災 為何還要載重量低的「新中運」?
【軍事】自從2014年珠海航展上以模型形式曇花一現,新中運就淡出江湖,直到11年後才驚鴻一現。好飯不怕晚,新中運來得正是時候。
有說法新中運的型號名稱為運-30,也有說法是運-15。叫什麼不重要,重要的是,這是中國空軍期盼已久的新型中型運輸機。在運-20已經大量裝備的現在,補上中運短板比任何時候都重要。
運輸機是空運和空降的關鍵裝備。新中國從一開始就組建了空降兵,但長期有「兵」而無「空降」。在裝備上,缺乏必要的運輸機,這是什麼飛機都缺的年代,運輸機只能往後排隊;在戰術上,缺乏空降作戰的位置,這是機械化都沒有解決的年代,空降作戰只能是特種需要。
中國很早就引進了安-12,在此基礎上仿製生產運-8。安-12是50-60年代蘇聯中運主力。由於時代局限,安-12在蘇聯沒有得到太大的重視,其作用很快被更大、更快的伊爾-76全面替代了。
除了吉普一級的輕型車輛和散裝物資,安-12的設計以徒步步兵的運輸和空降為主。速度和航程夠用,但低空低速性能一般,高空高速則沒有要求。因此,機艙無增壓,機翼易結冰。
安-12的載重為20噸,最大起飛重量61噸;C-130H的載重為19噸,最大起飛重量70.3噸。兩者數據相近。C-130與安-12是同級的,但低空低速性能更好,因此前線機場運作和空投空降性能更好。這是與機翼和動力設計相關的。
安-12的機翼平面形狀為前緣帶有一點淺後掠,後緣平直;C-130則為前緣平直,後緣帶一點淺前掠。平面形狀的差異不是最重要的,關鍵差異在於:安-12的翼展38米,翼面積121.1平方米,而C-130H的翼展40.4米,翼面積達到162.1平方米。略大的翼展和大得多的翼面積是C-130更加優異的簡易跑道和低空低速性能的關鍵。
代價則是重量和阻力,安-12的空重只有28噸,C-130H則達34噸。安-12的伊夫琴科AI-20渦槳為4000軸馬力,C-130H的艾利遜T56渦軸則為4590軸馬力。更加強勁的動力補償了阻力和重量的代價,使得C-130在70年後以C-130J的形式繼續生產,在可預見的將來看不到停產日期。而安-12在1973年就停產了。
安-12的設計還是有好處的。巡航速度570公里/小時,最大速度660公里/小時,滿載航程3600公里,滿油航程5700公里。相比之下,C-130H巡航速度只有541公里/小時,最大速度590公里/小時,重載航程3800公里,航渡航程則高達7400公里,增加的最大起飛重量還是有用的。
蘇聯是很大的地方,安-12的速度和航程優點對蘇聯空軍很有用,低空低速和簡易跑道能力不是太大的損失。蘇軍對空投空降的要求不高,空降兵更多是作為精鋭輕裝力量配合陸軍的機械化大軍使用,早早裝備的空降裝甲車輛也只是可空降而已。蘇軍對犄角旮旯的遠征作戰要求不高,安-12不要求敵前的突擊降落(assault landing),只要能在接近前線的簡易跑道降落就行,跑道長度和鋪裝標準可以適當放寬。
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美軍需要全球作戰,敵前空投空降和起飛着陸要求比蘇軍高得多,在C-130剛出世不就得越南戰場就得到廣泛考驗。C-130也因為特別皮實、易用而受到各國空軍的喜愛。
C-130可以在航母甲板上靠自己的動力輕載起飛,那是隻有300多米的滑跑長度。這是極限測試情況。在實用中,C-130可以在1000米長、18米寬的土跑道上正常載重起飛、着陸。在跑道平整度方面,只要越野卡車能以同樣速度跑的路面,C-130就能起飛降落。
野戰機場只有簡易的急造跑道,道基標準不可能太高。剛平整好的時候還很平整,但使用幾次就不可避免地因為道基堅固程度不一而開始局部沉降,造成不平,雨水和着陸衝擊大大加劇不平整問題。
C-130成為西方的標準甚至唯一中運,歐洲中運從C-160到A400M都不能與C-130直接競爭。
但C-130的基本設計也成了天花板,較窄的機艙使得大量現代裝備無法整裝整運,局促的載重量成為很多「可空運」裝備的設計限制,最終成為性能天花板。幾上幾下的新輕坦就飽受重量限制的折磨,沒法在火力、機動、防護之間既達到起碼的平衡又達到最低的單項要求,現在索性「生而復死」了。
歐洲在設計新中運的時候,有意鑽C-130J和C-17之間的空子。A400M載重量37噸,空重78.6噸,最大起飛重量141噸,比C-130J大很多,但又比C-17(載重77.5噸,空重128.1噸,最大起飛重量265.4噸)小很多。
問題是,A400解決了C-130運力有時候受局限的問題,但在更多時候又運力過剩。作為中小國家的單一運輸機或許可以忍受這樣的折衷,但對大國就兩頭不靠了。
中國正是這樣的大國。不管是空運、空降作戰,還是救災、人道救援,運-20都成為當仁不讓的重型遠程端主力,但只有新中運才能解決現代後勤需要靈活、快捷、直接、在前線環境運作的問題。
在現代戰場上,內線重兵把守已成過去,外線精兵布控才是未來。火力和訊息填補了遠程布點之間的間隙,鬆散布點但互相支援的精兵極大提高戰場控制效率,快捷、可靠的後勤支援是其中的關鍵,只有新中運才能在這樣的前線環境下保持可靠有效。
中國空降兵也在大發展中。空降兵作為重兵集團在大平原上突擊作戰不再是主流,但在海島、高原等偏遠、孤立戰場上有獨特作用。這些地方也需要具有更好土跑道短距起落能力的新中運。這樣的能力對於災後救援也有巨大作用,原有機場設施很可能在自然災害中受到損壞,不便需要高質量跑道才能運作的大型飛機使用。
中國在運-8基礎上加長機體、機艙增壓、改用新型渦槳、電傳飛控、機翼電熱除冰等技術,推出運-9。但運-8的基本氣動設計和載重、機艙限制繞不過去,需要全新設計的新中運。
中國對新中運的要求大大高於安-12,需要達到甚至超過C-130的低空低速和簡易跑道能力,以滿足空投空降和前線空運的要求。
與運-8/運-9相比,最大的改動有三點:
1. 機體加寬
2. 低平尾改高平尾
3. 機翼面積加大
機體加寬是剛需。運-8的原型安-12設計的時候,對中運的車輛和裝備運載能力沒有太多、太明確的要求,主要還是運載空降步兵,最多運一點吉普一級的輕型車輛,貨物也以托盤上的散裝貨物為主。機艙狹窄一點無礙,便於製造,重量和阻力也小。
但時代不同了,現在的軍隊裏,不算駕駛員的話,車輛可能比人還多,而且車輛越來越大、越來越重。新中運要能運載裝甲車輛和戰術導彈系統是剛需。空降兵也機動作戰了。傘戰之外,還有大山貓。新中運不僅要能裝運,還需要一點數量。
坦克就免了,輕坦有可能,大八輪必須。直升機拆掉旋翼和尾槳尾撐後,也需要能裝進去。這決定了新中運的機艙直徑必須比運-8大很多,看起來粗短就不奇怪了。
新中運的載重量需要等官宣,坊傳30噸,很有可能。這介於運-8的20噸和運-20的66噸之間,也在C-130的19噸和A400M的37噸之間。這是很合適的噸位。再大的話,輕載出動會浪費;再小的話,很多裝備運不了。
運-8和C-130都是低平尾。這在結構上簡單皮實,重量和阻力都較小,但對機尾空降作業的氣流影響很大。安-12和C-130都有尾門,但這主要是在停機坪上裝卸貨物和車輛用的,傘兵空降還是以兩側艙門躍出為主,機尾尾流不是多大的問題。隨着尾門空投越來越主流化,低平尾改為高平尾很有必要。
高平尾還有尾翼翼面的氣動環境乾淨、控制作用有力的好處,這對低空低速的空投空降作業特別重要。美國空軍在越南戰爭時代試驗了超低空超低速的托盤傘降系統(LAPES)。這是在幾米的極低空以勉強超過失速的速度在空投場通過中,用阻力傘拉出托盤上的貨物或者車輛,直接落地。除了阻力傘外,沒有通常的降落傘。
在理想情況下,阻力傘抵消大部分前進速度,托盤相當於從幾米高的高度直接落地。只要設計得當,托盤上的貨物或者車輛可以保證完好無損,解開固定索帶就可卸貨或者直接開走。但這樣的極限飛行狀態對飛控的要求極高,高平尾格外有效的氣動控制很受歡迎。對於山區、海島、複雜氣象的簡易跑道運作,這樣格外有效的氣動控制同樣受歡迎。
缺點是需要格外粗壯的垂尾結構,帶來額外的重量和阻力。另一個問題是大迎角時容易發生深度失速。高平尾不易受到機體和機翼上仰時帶來的氣流遮擋,但進入大迎角飛行時,還是會發生遮擋,平尾出現突然而且深度的失速,而這是最不能出現平尾控制作用降低的時候。低平尾最終也有失速問題,但相對來說,失速出現更加漸進。因此高平尾需要採用比低平尾更加高大的垂尾,推遲平尾失速的產生,加大重量和阻力挑戰。
新中運的機翼面積明顯加大,平面形狀與C-130相似。現在還沒有確切數據,但目測下來,比C-130還大。但新中運的機翼不是照抄C-130,還不只是因為增加了翼梢小翼。
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在相同翼展、翼面積時,前緣平直的機翼產生升力的效率最高,這是因為流經機翼的氣流都「乖乖」地從前向後流動,不管用伯努利理論、下洗氣流理論還是環流理論解釋升力產生機制,這樣簡單、平順的流動都是最優的。
前緣後掠的機翼將從前向後的流動分解為沿着前緣後掠方向的斜向流動和垂直於前緣的法向流動,只有法向的流動是產生升力的,這也是後掠翼為什麼能推遲超音速飛行時激波阻力產生的道理。即使飛行速度超過音速,在後掠翼前緣的法向上,超音速氣流的法向分量速度還是低於音速,避免了激波阻力的產生。
問題是,從前到後的氣流流動是因為動力在推動飛機前進,後掠翼這麼一分解,激波阻力的問題解決了,但沿着後掠角的斜向流動對產生升力無用,還在翼尖形成額外的渦流,造成推進能量的無用功。說額外,是因為升力意味着機翼下表面壓力高於上表面,在翼尖之外不再有機翼的物理阻隔,下表面高壓就「水往低處流」,橫着向上流動,本來就會形成翼尖渦流。這部分流動不產生升力,不進則退所以可以等效為阻力。後掠翼還火上添油,增加了翼尖渦流阻力。
在每一點滴升力都要爭搶的超低空超低速環境下,肯定是平直翼更好。順便說一句,C-130的肯定是平直翼,但安-12也是平直翼,那一點點前緣後掠還構不成後掠翼,只是沒有C-130那麼平直而已。要波音707那樣前後緣都後掠的才算正經的後掠翼。
最平直的平直翼當算塞斯納172那樣的,前後緣都是平直的。翼面積越大,升力越大。C-130那樣後緣帶前掠,是為了在不增加翼展的情況下,增加翼面積和改善翼根受力。但後緣前掠過度容易導致氣流分離,那又弄巧成拙了。
C-130的機翼平面形狀對低空低速有利,但對高速和航程不利。新中運還是需要一點速度和航程的,所以不能簡單照抄C-130的肥厚機翼,而是採用了超臨界翼。
機翼的形狀有兩個要素,一是平面形狀,平直翼、後掠翼說的就是這個;另一個是剖面形狀,一般是某種下半扁平的鈍頭半水滴形。在亞音速下,頭較鈍和上表面飽滿有利於氣流吸附,也就是說,順着翼型流動。氣流一旦脱離,升力機制就失效了。但氣流在上表面加速中,速度超過音速的話,會形成激波阻力。儘管飛行速度還不到音速,但翼型對氣流的加速還是可以使得氣流達到局部超音速的。這是肥厚機翼到高亞音速後就阻力迅速增加的原因。
超臨界翼換一個思路。上下翼面在前半段都相對平緩,所以氣流加速不顯著,不至於過早產生激波阻力。但在後半段,下表面向上挖空,上表面向下急速彎曲,好像在機翼後緣形成向下的鈎子一樣。這樣,下表面氣流在動壓下被迫向下拐彎,上表面氣流在保持吸附中加速,也向下拐彎,最終形成強大的下洗氣流,產生升力。超臨界翼可以在較高速度和較小後掠下依然推遲激波阻力的產生。
這樣,新中運既保留了C-130機翼的低空低速優勢,又保持了安-12機翼的高速低阻優勢。
這也是新中運必須有翼梢小翼而且只有後半截的原因:下表面氣流加速和高壓的產生主要在後半段,翼梢小翼尤其需要在後半段擋住側捲過來的渦流,前半段倒是用處不大。
當然,翼梢小翼可以等效為翼展的增加,大翼展機翼有利於提高升阻比,這些都是老生常談了。新中運的航程可能比C-130或者安-12都要大。
超臨界翼是新時代的主流,中國在ARJ-21、C-919、運-20的設計中才掌握相關技術。一旦中國掌握,接下來就是白菜化,就是青出於藍而勝於藍,這是顛簸不破的真理。於是,新中運來了。
這也意味着新中運的超臨界翼不是首創。C-17、運-20都是超臨界翼,但那是不同級別的更大飛機。A400M、安-70都是超臨界翼。C-130J倒不是,還在用傳統機翼,所以速度還是那樣,提不高。
在發動機方面,新中運用的發動機型號不明,有可能是AEP400。渦槳6C畢竟是伊夫琴科AI-20的基本設計,再用新技術更新也跳不出老格局。新中運還是傳統渦槳,不是更先進的槳扇。槳扇的速度更快,但槳葉技術複雜,還有難以解決的噪聲問題。噪聲不光惱人,還對結構帶來疲勞問題。新中運只需要安-12的速度,不需要運-20的速度,用槳扇沒有多少額外的優越性。
同樣,由於低空低速優先,用兩台大渦扇替代四台大渦槳並非良策。推力的產生說到底是動量平衡,用高速小流量的氣流和低速大流量的氣流產生同樣的推力,但後者的推進效率更高。簡單粗暴地說,就是因為前者的高速是用高温換來的,而温度本身並不直接產生推力,這部分能量「浪費」了。推進氣流的速度與飛行速度差別越小,温度越低,「浪費」越小。渦扇用風扇額外拉動推進氣流,所以比渦噴更省油;渦槳好比涵道比無窮大的渦扇,比渦扇更省油。
在推力特性方面,渦扇和渦槳也好比汽油發動機和柴油發動機一樣。跑車用汽油發動機,高空高速優先的飛機用渦扇;卡車用柴油發動機,低空低速優先的飛機用渦槳。
巴西C-390用雙發渦扇,是因為有雙發支線客機的基本技術可以借鑑;日本C-2用雙發渦扇,也因為有完全不同的使用要求,還是安全的後方機場之間的遠程空運為主。新中運的低空低速和前線運作要求至少和C-130一樣高,而C-130的低空低速和前線運作是在越南戰場上考驗過的。都號稱能越野,漢蘭達和陸地巡洋艦能一樣嗎?
新中運還有成本適中、運作經濟的好處,有望出口到友好國家。相比之下運-20對很多國家還是太奢侈了。
新中運未必會很快替換運-9作為特種飛機的平台。運-9的加壓機艙和電除冰裝置容許飛到較高的高度,有利於預警機和其他特種飛機「站得高看得遠」,但只要機艙空間夠用,換用新中運並無多少優點。
在過去一年多裏,中國首飛了兩種六代有人戰鬥機,展示(很可能已經首飛)了兩種六代無人戰鬥機,有至少三種無尾飛翼無人機達到不同程度的實用狀態,還有「九天」無人母機、不知名的雙垂尾教練機、空警3000、至少兩種傾轉旋翼直升機、共軸反轉剛性雙旋翼直升機和傳說中的重武直,中國軍迷已經幸福麻了。幸福還在接踵而來。
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